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远征一号上面级(YZ-1)

远征一号上面级主直径2.8米,使用偏二甲肼(UDMH)和四氧化二氮(N2O4)作为推进剂。

YZ-1上面级是为执行中国第二代卫星导航系统重大专项工程组网发射任务研制,主要用来与CZ-3A系列运载火箭组合使用执行“一箭一星”“一箭双星”直接入轨发射任务。已经多次成功完成飞行试验任务。

类型最长工作时间搭配火箭芯级直径

首飞时间

远征一号6.5小时以上3.35米2015年3月30日
远征一号甲48小时以上3.35米2016年6月25日
远征二号6.5小时以上5米2016年11月3日
远征一号S约1小时3.35米预计2018年
远征“添翼”版1年以上3.35/5米构想中

 火箭院总体设计部研究员王明哲介绍,这双“翅膀”是太阳能电池板,主要为了解决“太空摆渡车”长期飞行的能源问题。“太空摆渡车”要正常工作,就必须有电。我国现役远征上面级家族只携带化学电池上天,不受阳光照射等限制,方便又“靠谱”。但要延长工作时间,就要携带更多的电池。

  “要知道,‘太空摆渡车’的‘本职工作’是在一次发射中把更多的卫星以更快的速度分配到各自的工作轨道,从而有效利用火箭的运载能力,为卫星‘省力’、为客户省钱。要是因为多工作而增加电池重量、挤占卫星的重量,那可就得不偿失了。”王明哲说:“给‘太空摆渡车’装上太阳能电池板,就不用带那么重的化学电池了。若工作数天,携带太阳能电池板的‘太空摆渡车’要比只携带化学电池的轻几百公斤,乃至1吨以上。省下了1吨运载能力,就能送更多或更重的卫星,或带更多的燃料。”

  自2015年起,由火箭院抓总研制的远征一号、远征一号甲、远征二号上面级,在短短一年多的时间内,陆续完成首飞,它们能够与不同直径的液体运载火箭搭配组合,这使我国拥有了体系完善、功能先进的“太空摆渡车”家族。其中,远征一号甲上面级的工作时间超过40小时,在首飞时,它送5种6项载荷精准入轨,还飞出了完美的“太空眼镜蛇”动作,无论是工作时间还是机动性,均已达到世界领先水平。既然用化学电池的“太空摆渡车”已经很棒了,为什么还要给它们“添翼”呢?

  “可以预见,具备长期工作能力的‘太空摆渡车’有很大的市场潜力。”王明哲说:“现在,商业航天的大潮正在涌来,国内外公司研制的大大小小的卫星都等着上天。这些卫星不仅规格五花八门,轨道也大相径庭。卫星的分配任务越复杂,越能体现‘太空摆渡车’的价值,自然也给‘太空摆渡车’的工作时间提出了更高的要求。”

  王明哲告诉记者,加装太阳能电池板的技术较为成熟,只要客户有需求,我国现役的远征系列上面级都能即刻“添翼”。“添翼”的上面级可在太空工作1年以上,不仅能当各种卫星和探测器的“太空摆渡车”,还能做空间科学试验装置的搭载平台,成为它们长期驻留太空的“房车”。

  “在这些‘太空摆渡车’服役后,我国远征上面级家族的任务覆盖面会更广,将在商业发射市场与空间科学试验上发挥更大的作用。”王明哲介绍到。


为上面级“减重”

  远征一号上面级要搭载数个乘客。根据任务需要,乘客的体重由860公斤增加到960公斤,这就对上面级的运载能力提出了更高要求。

  叶成敏说,火箭运载能力是既定的,要想提高其运载能力,只能在上面级做文章。为此,研制团队从结构、系统等多方面出发,为上面级“减肥”,目的是可以携带更多燃料。

  用尽洪荒之力,结果却让大家有些沮丧,大家寄予最大希望的结构减重只有40公斤,这与100公斤的目标相差甚远,研制似乎陷入停滞。

  正在这时,一直在研究制导参数的叶成敏提出了自己的大胆想法:上面级与火箭分离后,有几个制导参数需要消耗大量燃料,我们可不可以停止这几个参数控制?

  叶成敏抛出的这个设想经计算后,可以节省100多公斤的燃料消耗。省下的就是赚到的,上面级通过这一小调整,运载能力实现了跨越式提升。


“太空摆渡车”首飞曾获“双百”

发布时间 : 2016-06-06     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  2015年3月31日,由中国运载火箭技术研究院(简称“火箭院”)抓总研制的上面级首飞成功,这也是我国首次采用上面级执行中高轨航天器发射任务。这次飞行中,上级领导称赞远征一号上面级首飞打出了“十环”的好成绩,其入轨精度和运载能力均获“双百”。

入轨精度“百分”

  远征一号上面级首飞直接将新一代北斗导航卫星送入工作轨道,半长轴偏差是设计指标要求的近二十分之一。而能打出这么高的精度,根本上取决于设计和产品质量。

  据设计人员介绍,运载火箭执行发射任务的时间大约十几分钟,远征一号上面级执行任务的时间约6.5小时,工作时间越长,越容易影响入轨精度。总体设计人员一方面采用高精度设计方法;另一方面给远征一号上面级增加了GPS修正、星光修正、地面遥控修正等措施,采用多种方式让入轨实现高精度。

  有了多重保障,即使远征一号上面级确保入轨精度的某一个设备出现问题,入轨精度也会处于可控范围内。

运载能力“百分”

  远征一号上面级立项论证时,经过多轮优化设计得出,按照双星发射的状态计算,运载能力可以达到860公斤/星。但最终实际运载能力达到1100公斤/星,被称赞获得了又一个“百分”。

  双星状态发射,运载能力为1100公斤/星,在当时看几乎是不可能实现的目标。设计人员们将这个“高标准”,变为超越自己的动力。他们将远征一号上面级于运载火箭基础联合设计、给上面级结构减重……想出各种办法提高运载能力。

  远征一号上面级遥一和遥二的数据显示,按照双星发射的状态,运载能力完全可以达到1100公斤/星的要求。

  未来,远征一号上面级还将执行更多、更复杂的任务,总体设计人员还将让远征一号上面级更好地“远征”,取得更多的“百分”。


海绵管理装置助推远征一号上面级成功首飞

        510所航天压力容器事业部在2014年就承担了远征一号上面级使用的海绵管理装置的研制任务。海绵管理装置为全金属焊接结构,是一种能够反复填充的开放式推进剂管理装置单元,在反向加速时能够蓄留工作介质,确保推进系统正常工作。该产品主要由中心支柱和48片叶片组成的叶片组件、底筛网组件和出液管组件三部分构成,产品对装配和焊接要求非常高。

    该产品的叶片采用0.1mm厚钛箔加工,48片叶片装配操作空间狭小,整体刚性差,装配和焊接过程中易弯曲变形,尺寸精度很难保证。在事业部领导正确决策和全体员工的不懈努力下,通过多轮工艺攻关和产品试制,仅仅利用不到6个月的时间就顺利完成了远征一号海绵管理装置试样阶段生产研制、验收试验及鉴定级试验,试验结果满足设计要求。

航天12所新技术助力上面级天地通信

       远征一号火箭上面级于今年3月底首飞任务取得了圆满成功。在这次发射任务中,中国航天科技集团公司一院12所制导与软件设计人员在控制系统中增加了自主修正导航参数、地面测定轨道修正导航参数和星光修正姿态角偏差的功能,通过与上面级的天地通信,实现对它的定位、监控,从而确保了飞行安全和高精度入轨。

      这次发射的飞行高度达到3.6万公里。这就需要进行地面遥控,实时掌握飞行状态,确保上面级准确进入预定轨道。

       该所制导设计人员创新性地提出了“惯组单表级冗余与故障信息重构技术”、“轨道推算技术”等,这些技术在我国运载火箭领域均为首次应用,并最终助力上面级精确入轨。(赵新)


远征一号上面级送北斗双星准确入轨——北斗双星旋转分离

      在距离预定的发射窗口还有大概两个星期时,在对上面级推进剂贮箱压力进行定期监测的过程中,发现贮箱压力出现了微小的下降现象。经认真排查,贮箱密闭性良好,并未发生泄漏。压力下降后的数值在设计方案允许的范围内,不影响正常发射。最终找到了压力下降的原因:加注前后推进剂温度的变化以及贮箱内的气液融合,是造成压力下降的“幕后推手”。

选择“专车” 告别劳顿
       中国航天科技集团公司以往研制的北斗卫星中,用于变轨的动力系统必不可少。这样的动力系统包括卫星变轨发动机和推进剂贮箱等,加注推进剂后的动力系统重量能占到卫星全重的60%左右。
       实施发射时,火箭只能将卫星发射至转移轨道,从转移轨道到工作轨道的路程,就要靠卫星自己“走”了。一般来说,这段路程需要卫星“走”上几天的时间,实属漫长。
       卫星从转移轨道“走”到工作轨道,需要多次变轨。实施变轨,就要消耗推进剂,这也是卫星一出发就要背负大量推进剂的原因。等到卫星终于进入工作轨道,推进剂也消耗得差不多了。在此后的卫星在轨工作期间,没有什么用处的动力系统还将始终伴随着卫星,直至卫星“寿终正寝”。
       北斗双星这次的太空之旅,没有像它们前辈那样历经周折,而是取消了沉重的用于变轨的动力系统,因为有“专车”将它们直接送入工作轨道,省去了“步行”的辛苦。这个“专车”,就是远征一号上面级。
      上面级是一种具有自主独立性的飞行器,由基础级运载器发射进入准地球轨道或地球轨道,能够依靠自身动力进一步将有效载荷送入预定工作轨道或预定空间位置。
       在这次太空之旅中,北斗双星每颗星都有一个舒适的座位,它们端坐在上面级的双星分配器上,一路上还能从上面级源源不断地获取电能。
      7月25日晚,火箭起飞约800秒后,上面级与火箭基础级分离,上面级主发动机第一次点火工作,带着双星继续向前飞行。主发动机关机后,经过约3个小时的滑行,上面级就载着双星到达了远地点的位置,这时上面级主发动机第二次点火工作,带着双星抵达卫星工作轨道。
平缓分离 安全入轨
        上面级载着双星到达工作轨道后,双星如何与上面级平稳安全分离至关重要。在茫茫太空中,两个1吨多重的卫星从上面级分离时一旦承受不了分离装置解锁瞬间产生的冲击或是互相发生了碰撞,后果将不堪设想。
       关于双星与上面级分离方案的研究,研制团队选择了一种成熟度较高的低冲击分离装置,连接在上面级与双星之间。但是在上面级与双星进行分离试验时,一个可怕的问题暴露出来:
北斗双星承受不了分离装置工作时对卫星产生的巨大冲击。
这个问题必须解决,否则无法按期实施新一代北斗导航卫星的一箭双星发射,甚至将影响北斗全球组网的进程。
        长三甲系列火箭副总设计师叶成敏介绍,研制团队对分离装置内的火工品种类、冲击的传输通道等进行了全新优化,又在多地的试验场内进行了几十次分离试验,将冲击一点点降了下来。同时,团队还对卫星结构进行了缓冲处理,增大了卫星的抗冲击能力。最终,分离装置工作时对卫星的冲击比最初的设计降低了40%~50%,解决了这一难题。
那么两颗卫星之间会不会发生碰撞呢?
        上面级的总体主任设计师陈益透露,研制团队通过建立动力学模型筛选出了近百个极限偏差工况,对上面级与双星分离的近场、远场情况进行了大量的仿真计算,还开展了多次模拟失重状态的双星旋转分离试验,终于确认北斗双星的分离方案科学有效、考虑充分,是完全安全可靠的。
       随着北斗卫星导航系统全球组网进程的推进,上面级发射北斗卫星直接进入工作轨道的模式将成为新常态。长三甲系列火箭总设计师姜杰认为,上面级发射北斗卫星直接进入工作轨道,开辟了高轨道卫星快速进入空间的崭新途径,也拓展了长三甲系列火箭发展的新领域,“在后续北斗组网发射任务中,上面级还将多次展露身手。”(刘淮宇/文 谢奇勇/摄)


长征三号乙Y26/远征一号Y2火箭将于7月首飞,发射北斗双星

          近日,长征三号乙Y26/远征一号Y2火箭通过了中国航天科技集团和中国运载火箭技术研究院的联合出厂评审,将于7月下旬执行中国第二代卫星导航系统重大专项试验卫星工程双星发射任务。本次发射将是长征三号乙/远征一号火箭的首飞。

         此前,3月30日21点52分,长征三号丙/远征一号Y1运载火箭在我国西昌卫星发射中心成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。这是我国“远征一号”上面级的首次发射成功,意味着我国真正意义上的“太空摆渡车”开始太空之旅。


主要上面级性能参数及应用情况

         远征一号上面级是我国第一枚液体上面级飞行器,有着“太空摆渡车”的美誉。就是这个占火箭总体积不到5%的上面级,却让卫星自发射到进入运行轨道的过程,从数十个小时的变轨时间缩短为5个多小时的直接入轨,并且无需耗费卫星的燃料,使得宝贵的星载燃料可以完全被用于在轨飞行,从而大大延长了卫星的在轨运行寿命。

        为实现远征一号上面级“小块头、大作用”的功效,先进的主动力系统是其核心关键技术之一。六院11所研制的新型上面级主发动机使用常温可贮存液体推进剂,是我国目前推力最小的泵压式液体火箭发动机。

       该所在上面级发动机上采用了泵压推进剂供应方式,实现了发动机两次可靠启动;通过采用热控系统、非金属密封材料、设置特殊时序等技术手段,确保了发动机长期在轨运行能力达到多个小时;同时,通过采取一系列可靠性设计措施,使发动机单次连续工作时间不低于千秒级,具备了长时间工作能力。上面级发动机为我国以直接入轨方式发射北斗导航卫星奠定了关键动力技术基础。

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